不同燃燒模式的爆震特性及爆震強(qiáng)度評價方法

王利民，華劍雄，衛(wèi)海橋，薛 亮，左俊杰，李露梅

(1.廣西玉柴機(jī)器股份有限公司，玉林 537005；2.天津大學(xué) 內(nèi)燃機(jī)燃燒學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072)

0 概述

隨著能源問題和環(huán)境問題日益突出，世界各國紛紛出臺了嚴(yán)格的CO2排放法規(guī)，這使得提高熱效率和降低燃油消耗成為了目前內(nèi)燃機(jī)研發(fā)的重要內(nèi)容。研究表明，提高壓縮比和增壓小型強(qiáng)化是提高內(nèi)燃機(jī)熱效率、降低CO2排放的重要途徑。然而，爆震燃燒的發(fā)生限制了內(nèi)燃機(jī)熱效率的提升。目前改善點(diǎn)燃式發(fā)動機(jī)爆震燃燒的措施包括廢氣再循環(huán)(exhaust gas recirculation,EGR)[1]、代用燃料[2]、推遲點(diǎn)火、米勒/阿特金森循環(huán)等。

在爆震發(fā)生時，準(zhǔn)確地識別和評價爆震燃燒和爆震工況是爆震研究的重要一環(huán)。在火花點(diǎn)火(spark ignition, SI)發(fā)動機(jī)中，爆震的發(fā)生由末端混合氣在火焰到來之前發(fā)生自燃所導(dǎo)致，缸內(nèi)發(fā)生爆震燃燒時存在一個不穩(wěn)定的劇烈放熱過程，使得缸內(nèi)壓力和壓力升高率迅速增加，并且在缸內(nèi)產(chǎn)生較大的壓力梯度，進(jìn)而形壓力波在缸內(nèi)來回反射。目前研究中對爆震的評價主要基于缸內(nèi)壓力信號進(jìn)行，而爆震強(qiáng)度的評價指標(biāo)主要有壓力震蕩最大幅值(maximum amplitude of pressure oscillation, MAPO)、壓力震蕩積分(integral of modulus of pressure oscillations, IMPO)、壓力升高率峰值(maximum pressure rise rate, MPRR)、平均能量等。此外文獻(xiàn)[3]中基于現(xiàn)有爆震指標(biāo)提出了一個新的無量綱爆震指標(biāo)(dimensionless knock indicator, DKI)，文獻(xiàn)[4]中采用統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法提出了一種動態(tài)閾值的計(jì)算方法。這些爆震評價指標(biāo)均是針對具體的燃燒循環(huán)，即對燃燒循環(huán)的爆震強(qiáng)度進(jìn)行評價，判斷該循環(huán)是否發(fā)生爆震。

對于具體的燃燒工況而言，往往包含了眾多正常燃燒循環(huán)和部分爆震循環(huán)，因此爆震的研究往往離不開大量循環(huán)的統(tǒng)計(jì)學(xué)分析[5-6]。目前對爆震工況的評價主要基于算數(shù)平均值法和爆震循環(huán)占有率法[7]兩種方法。算數(shù)平均值法利用測試的所有燃燒循環(huán)的平均值作為工況的爆震強(qiáng)度；爆震循環(huán)占有率法是計(jì)算發(fā)生爆震的循環(huán)數(shù)占總循環(huán)數(shù)的比例。由于SI燃燒具有較強(qiáng)的隨機(jī)性，且爆震工況下往往正常燃燒循環(huán)數(shù)量高于爆震循環(huán)數(shù)量，因此循環(huán)占有率法應(yīng)用更為廣泛[8-9]。

隨著內(nèi)燃機(jī)燃燒理論研究的深入，近年來提出了更多的新型燃燒方式，如均質(zhì)壓燃(homogeneous charge compression ignition, HCCI)、汽油壓燃(gasoline compression ignition, GCI)、湍流射流點(diǎn)火(turbulent jet ignition, TJI)等，這些燃燒模式的爆震特性與SI燃燒的爆震特性差異較大[10-11]。此外，對于一些比SI爆震更加極端的工況，如低速早燃(或超級爆震)工況[12-13]，平均值法和爆震循環(huán)占有率法并不能完全準(zhǔn)確地對爆震工況進(jìn)行評價。雖然文獻(xiàn)[14]中提出了一種新的爆震強(qiáng)度評價方法，但仍無法完全適用于多種燃燒模式的爆震評價及低速早燃這類極端工況的爆震評價。

為了得到適用于各種燃燒模式和極端工況的爆震評價方法，本研究中首先用統(tǒng)計(jì)學(xué)描述的方法對不同燃燒模式的爆震強(qiáng)度分布規(guī)律開展了研究，然后評估了現(xiàn)有的爆震評價方法對不同燃燒模式爆震評價的準(zhǔn)確性，最后結(jié)合不同燃燒模式的燃燒特性和現(xiàn)有爆震評價方法的缺陷提出了兩種改進(jìn)的爆震評價方法(加權(quán)平均值法和破壞性循環(huán)均值法)，并對其爆震評價的準(zhǔn)確性進(jìn)行了驗(yàn)證。本研究中首次提出了廣泛適用于各種燃燒模式和爆震工況的爆震評價方法，并獲得了較高的準(zhǔn)確性，對于內(nèi)燃機(jī)爆震燃燒尤其是針對新型燃燒方式的爆震燃燒研究具有重要的理論和應(yīng)用價值。

1 試驗(yàn)設(shè)備與流程

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

本試驗(yàn)中所用的測試發(fā)動機(jī)為單缸兩氣門四沖程水冷式Ricardo E6發(fā)動機(jī)。缸徑和行程分別為80 mm和100 mm，壓縮比在10.0～17.5之間可調(diào)，排量0.5 L，采用全可變氣門(variable valve actuation, VVA)機(jī)構(gòu)。試驗(yàn)所用噴油系統(tǒng)為自主開發(fā)，可對噴油時刻、噴油次數(shù)、噴油脈寬和噴油壓力進(jìn)行實(shí)時調(diào)節(jié)，點(diǎn)火時刻通過MoTeC 400電控單元(ECU)進(jìn)行調(diào)節(jié)。圖 1是試驗(yàn)測試設(shè)備的示意圖。其中VVA機(jī)構(gòu)由液壓驅(qū)動，可對氣門的時刻和升程進(jìn)行實(shí)時調(diào)節(jié)，這也是實(shí)現(xiàn)本研究中的不同燃燒模式的關(guān)鍵所在。氣門的開啟通過液壓缸所產(chǎn)生的高壓直接驅(qū)動，液壓缸上安裝有油管A和油管B。當(dāng)氣門需要開啟時，在伺服閥的控制下，油管A與高壓液源接通，油管B與低壓液源接通，氣門即在液壓油的驅(qū)動下開啟。當(dāng)氣門到達(dá)所需的升程時，油管A和B分別與高壓液源和低壓液源斷開，此時液壓缸內(nèi)的壓力和體積得以維持，以維持固定的氣門開度。當(dāng)氣門需要關(guān)閉時，在伺服閥的作用下油管A與低壓液源接通，油管B與高壓液源接通，如此氣門在液壓力和彈簧彈力的作用下被推回。

圖1 測試設(shè)備示意圖

試驗(yàn)發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速由DZC-20直流電力測功機(jī)控制，誤差為±0.2%?？杖急扔烧`差為±0.8%的寬裕氧傳感器測量。燃油消耗量由燃油質(zhì)量流量計(jì)測量，其量程為0～5 kg/h，誤差為±0.2%。冷卻液溫度的監(jiān)測和控制由西門子比例-積分-微分(PID)控制器實(shí)現(xiàn)，溫度的波動在±2 ℃以內(nèi)。進(jìn)氣增壓通過外置的壓氣機(jī)實(shí)現(xiàn)。進(jìn)氣流量由同圓LFE060進(jìn)氣流量計(jì)測量，誤差在±1%以內(nèi)。缸內(nèi)壓力由奇石樂6118B火花塞式缸壓傳感器測量，并通過奇石樂5018電荷放大器進(jìn)行信號放大，由燃燒分析儀進(jìn)行分析和數(shù)據(jù)保存，缸壓信號的采樣間隔為0.1°曲軸轉(zhuǎn)角。

在全可變氣門機(jī)構(gòu)、可調(diào)壓縮比、靈活的點(diǎn)火和噴油的協(xié)同控制下，可在同一臺發(fā)動機(jī)上實(shí)現(xiàn)不同燃燒模式，包括HCCI、GCI、SI、TJI和增壓SI。但要想實(shí)現(xiàn)TJI燃燒，還需要一個帶供油裝置的預(yù)燃室，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。該預(yù)燃室結(jié)構(gòu)包含1個火花塞、1個單孔噴油器和1個預(yù)燃室殼體。其中單孔噴油器由商用博世多孔噴油器經(jīng)激光焊接改造而成，其噴孔方向可在圖2中看出。預(yù)燃室殼體上安裝的兩根細(xì)管是噴油器的冷卻水道，作用是避免噴油器因高溫而損壞。

圖2 供油式預(yù)燃室結(jié)構(gòu)圖

1.2 測試工況

在本試驗(yàn)中，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速固定在1 500 r/min，負(fù)荷范圍在平均有效指示壓力(indicated mean effective pressure, IMEP)0.27～1.20 MPa之間，具體取決于燃燒模式。表1列出了發(fā)動機(jī)的運(yùn)行參數(shù)。對于不同的燃燒模式，包括進(jìn)氣溫度、冷卻液溫度、潤滑油溫度和發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速在內(nèi)的試驗(yàn)邊界條件保持不變。進(jìn)氣門關(guān)閉(intake valve close, IVC)時刻和排氣門開啟(exhaust valve open, EVO)時刻也固定不變，分別為-120°和150°曲軸轉(zhuǎn)角，本文中用曲軸轉(zhuǎn)角負(fù)值表上止點(diǎn)前，正值表上止點(diǎn)后。試驗(yàn)所用的燃料為殼牌92號汽油。為了保證試驗(yàn)的可靠性，在數(shù)據(jù)采集之前需要先保持發(fā)動機(jī)在測試工況穩(wěn)定運(yùn)行60 s以上，采集開始后連續(xù)采集200個燃燒循環(huán)的數(shù)據(jù)。對于HCCI燃燒模式，試驗(yàn)通過設(shè)置排氣門關(guān)閉(exhaust valve close, EVC)時刻和進(jìn)氣門開啟(intake valve open,IVO)時刻為300°和420°，形成120°的負(fù)氣門重疊角(negative valve lap, NVO)，并采用13.0的壓縮比。考慮到爆震的限制，HCCI的IMEP保持在 0.35 MPa 以下，噴油時刻選擇為 -300° 曲軸轉(zhuǎn)角以保證燃料充分地預(yù)混。對于GCI燃燒模式，采用了17.5的壓縮比，以保證在常溫進(jìn)氣和無NVO的情況下正常著火。本試驗(yàn)中GCI的IMEP范圍在0.76～0.79 MPa之間，是典型的高效率負(fù)荷區(qū)間。進(jìn)氣壓力為0.1 MPa，噴油時刻在壓縮行程以獲得適當(dāng)?shù)娜加头謱?。對于TJI燃燒，選擇了與SI相同的壓縮比，即10.0。考慮到TJI燃燒的最大優(yōu)勢在于稀薄燃燒工況，選擇過量空氣系數(shù)1.6開展TJI測試，其負(fù)荷范圍為0.60～0.62 MPa。對于SI燃燒，試驗(yàn)包含了自然吸氣和進(jìn)氣增壓的工況，測試工況為節(jié)氣門全開的易爆震工況。綜上所述，本研究所選擇的測試工況為具體燃燒模式的典型工況，因此試驗(yàn)中獲得的燃燒和爆震結(jié)果可在一定程度上反映對應(yīng)燃燒模式的燃燒和爆震特征。

表1 發(fā)動機(jī)運(yùn)行參數(shù)

1.3 放熱率計(jì)算和爆震評價

對于缸內(nèi)燃燒過程的分析，放熱率的計(jì)算是十分必要的。本研究中采用基于熱力學(xué)第一定律的單區(qū)模型對放熱率進(jìn)行計(jì)算[15-16]。燃燒放出的熱量等于缸內(nèi)氣體的內(nèi)能增加、對外做功、壁面?zhèn)鳠峒翱p隙損失。放熱率的計(jì)算如式(1)所示。

(1)

當(dāng)爆震發(fā)生時，缸內(nèi)會產(chǎn)生高頻的壓力震蕩。除了SI燃燒外，劇烈的GCI和TJI燃燒也能在缸內(nèi)產(chǎn)生壓力震蕩[10-11]。研究表明，汽油機(jī)中爆震的壓力震蕩頻率主要集中在4～20 kHz之間，因此本研究中選擇該范圍的帶通濾波對原始缸壓進(jìn)行濾波以提取壓力震蕩信號。根據(jù)奈奎斯特采樣定理，能夠解析的最高頻率為采樣頻率的一半，這意味著要想分析最高頻率為20 kHz的信號，采樣頻率需要高于40 kHz。本試驗(yàn)中1 500 r/min的轉(zhuǎn)速下0.1°采樣間隔對應(yīng)的采樣頻率為90 kHz，滿足采樣定理的要求。

具體燃燒工況下200個循環(huán)缸壓曲線如圖3(a)所示，可以看出爆震的發(fā)生和壓力震蕩的產(chǎn)生是針對具體燃燒循環(huán)而言的，大量的燃燒循環(huán)才能真實(shí)反映出具體工況下的燃燒和爆震特征。因此，爆震的分析往往離不開統(tǒng)計(jì)學(xué)方法。在描述性統(tǒng)計(jì)學(xué)中，箱形圖(又稱胡須圖)是描述數(shù)據(jù)在整個范圍內(nèi)分布的一種標(biāo)準(zhǔn)化方法，主要通過最小值、第一四分位數(shù)、中位數(shù)、第三四分位數(shù)和最大值進(jìn)行數(shù)據(jù)量化。在本文中，除了上述分位數(shù)外，還增加了1%分位數(shù)、5%分位數(shù)、95%分位數(shù)、99%分位數(shù)和平均值對爆震強(qiáng)度的分布進(jìn)行量化描述，具體如圖 3(b)所示。圖3(b)中每個散點(diǎn)代表圖3(a)中一個燃燒循環(huán)的爆震強(qiáng)度，通過統(tǒng)計(jì)計(jì)算得到這些數(shù)據(jù)的不同百分位數(shù)的位置信息，這些信息通過圖3(c)中的箱形圖進(jìn)行表達(dá)。即箱形圖將數(shù)據(jù)的分布信息濃縮到了一個簡單的箱形圖中，即箱形圖在保持簡潔的同時包含了大量的信息。因此在本文接下來的內(nèi)容中主要采用箱形圖對不同燃燒模式的壓力震蕩分布進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)描述。

圖3 箱形圖對具體工況爆震特征的描述

對于爆震強(qiáng)度評價，目前應(yīng)用最為廣泛的是壓力震蕩的最大幅值(MAPO)，指標(biāo)直接反映了爆震的最大破壞性。MAPO通過濾波后缸壓絕對值的最大值計(jì)算得到，用于評價具體燃燒循環(huán)的爆震強(qiáng)度。而要評價一個運(yùn)行工況的爆震強(qiáng)度，往往需要上百個燃燒循環(huán)的爆震強(qiáng)度計(jì)算得到，目前應(yīng)用較多的有爆震循環(huán)占有率法和算數(shù)平均值法。此外，為了增強(qiáng)爆震評價方法在不同燃燒模式下的準(zhǔn)確性和適用性，本文中還提出了兩種新的爆震工況評價方法，即加權(quán)平均值法和破壞性循環(huán)均值法。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 不同燃燒模式的燃燒和爆震特性

不同燃燒模式具有不同的燃燒特性和爆震特性，這里所討論的燃燒模式包括HCCI、GCI、TJI和SI(包括自然吸氣和增壓)，采用缸內(nèi)壓力、放熱率和MAPO的箱形圖來對燃燒和爆震特性進(jìn)行描述。

不同過量空氣系數(shù)下HCCI燃燒的缸壓和放熱率曲線如圖4所示。圖4中的工況負(fù)荷范圍為IMEP 0.273～0.326 MPa，是HCCI燃燒比較典型的工作負(fù)荷。從圖4中可以看出，HCCI的放熱過程非常集中，主要集中在0°～15°之間。根據(jù)文獻(xiàn)[18]中的研究，HCCI的燃燒很難做到缸內(nèi)處處均勻，在如此快的放熱過程之中放熱的不均勻?qū)е聣毫Σ痪鶆?，進(jìn)而在缸內(nèi)形成壓力震蕩。圖5是圖4中對應(yīng)工況的MAPO箱形圖，可以看到HCCI燃燒雖然會產(chǎn)生壓力震蕩，但其MAPO分布較為集中，在過量空氣系數(shù)為1.0時最大MAPO也在0.3 MPa以下，且95%的燃燒循環(huán)的MAPO在0.2 MPa以下。隨著過量空氣系數(shù)逐漸增加，MAPO的平均值逐漸降低，其分布也更加集中。

圖5 不同過量空氣系數(shù)下HCCI燃燒的MAPO分布

相比HCCI燃燒，GCI燃燒具有靈活的噴射策略和更高的壓縮比，可以在保持與HCCI相似的爆震強(qiáng)度下實(shí)現(xiàn)更高的負(fù)荷。圖 6所示是不同噴油時刻下GCI燃燒的缸壓和放熱率。對于GCI燃燒，可以通過改變噴油時刻控制缸內(nèi)的燃油分布，實(shí)現(xiàn)對缸內(nèi)混合氣活性的調(diào)控，從而控制GCI的燃燒相位。噴油時刻提前，燃料預(yù)混比例增加，燃燒開始時刻和最大放熱率也隨之增加。根據(jù)之前的研究[10]結(jié)果，提前噴油時刻，GCI的爆震強(qiáng)度逐漸增加，但其MAPO分布形態(tài)及相對標(biāo)準(zhǔn)差(標(biāo)準(zhǔn)差與平均值的比)基本保持不變。該結(jié)果也可從圖7中大致看出。此外，隨著噴油時刻的提前，MAPO的分布區(qū)域逐漸變廣，且平均值與中位數(shù)之間的距離逐漸增加，這是由較為提前的噴油時刻下存在較多強(qiáng)爆震循環(huán)導(dǎo)致的。綜上可知，合理的噴油時刻控制對于GCI爆震的調(diào)控至關(guān)重要。

圖6 不同噴油時刻下GCI燃燒的缸壓和放熱率(IMEP為0.76～0.79 MPa)

圖7 不同噴油時刻下GCI燃燒的MAPO分布

TJI燃燒是近年來受到廣泛關(guān)注的以一種射流點(diǎn)火燃燒模式，其最大的特點(diǎn)有：預(yù)燃室內(nèi)有附加的供油裝置，可以在主燃燒室稀燃的情況下保證預(yù)燃室內(nèi)的燃燒在化學(xué)當(dāng)量比附近；預(yù)燃室射流孔的合理布置使得火焰在穿過射流孔時產(chǎn)生明顯的加速，可以提高主燃燒室的燃燒速率。圖8為不同點(diǎn)火時刻下TJI燃燒的缸壓和放熱率，其放熱率呈先急后緩的特點(diǎn)，且放熱率峰值幾乎不隨點(diǎn)火時刻的變化而改變。在點(diǎn)火時刻較為提前的工況甚至出現(xiàn)了兩階段的放熱率，第一階段為射流造成的，第二階段為后期火焰?zhèn)鞑ピ斐傻摹D9展示了所述工況的MAPO分布，可以看出隨點(diǎn)火時刻提前，MAPO呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢，但其分布形態(tài)幾乎沒有發(fā)生變化，也沒有由于點(diǎn)火時刻的提前而出現(xiàn)MAPO非常大的異常燃燒循環(huán)。

圖8 不同點(diǎn)火時刻下TJI燃燒的缸壓和放熱率(IMEP為0.60～0.62 MPa)

圖9 不同點(diǎn)火時刻下TJI燃燒的MAPO分布

SI燃燒最易發(fā)生爆震的工況為高負(fù)荷工況，爆震是在火焰到來之前末端混合氣發(fā)生自燃產(chǎn)生的劇烈放熱造成的。圖 10是不同點(diǎn)火時刻下SI燃燒的缸壓和放熱率。由圖10可見，隨著點(diǎn)火時刻的提前，燃燒相位和最大缸壓逐漸升高，對于較為提前的點(diǎn)火時刻(-18°和-20°曲軸轉(zhuǎn)角)，放熱率存在異常，這是發(fā)生爆震導(dǎo)致的。圖11進(jìn)一步展示了SI燃燒在不同點(diǎn)火時刻下的爆震強(qiáng)度分布。可以看到SI燃燒發(fā)生爆震前后MAPO分布具有本質(zhì)的區(qū)別。發(fā)生爆震前(點(diǎn)火時刻-12°和-14°曲軸轉(zhuǎn)角)MAPO分布非常集中，其最大值都在0.1 MPa以下；發(fā)生爆震后(點(diǎn)火時刻-18°和-20°曲軸轉(zhuǎn)角)存在一些爆震強(qiáng)度非常大的燃燒循環(huán)，使得MAPO最大值和99%分位數(shù)的值非常大。

圖10 不同點(diǎn)火時刻下SI燃燒的缸壓和放熱率(IMEP為0.99～1.04 MPa)

圖11 不同點(diǎn)火時刻下SI燃燒的MAPO分布

在SI燃燒中，除了爆震外，還存在一種破壞性非常強(qiáng)的不正常燃燒現(xiàn)象，即低速早燃(或超級爆震)。這種不正常燃燒往往發(fā)生在增壓發(fā)動機(jī)低速高負(fù)荷工況下，其典型的低速早燃燃燒循環(huán)的缸壓如圖 12所示。低速早燃循環(huán)的燃燒開始于火花點(diǎn)火之前，其壓力震蕩幅值達(dá)到數(shù)兆帕甚至數(shù)十兆帕，對發(fā)動機(jī)的破壞性遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通爆震循環(huán)。圖13是低速早燃工況的MAPO分布，這里的測試重復(fù)了3次，每次測試采集10 000個燃燒循環(huán)。從MAPO分布來看，低速早燃的發(fā)生具有非常大的隨機(jī)性，其MAPO最大值超過11 MPa，但其99%分位數(shù)卻低于0.05 MPa。這意味著發(fā)生低速早燃時，對發(fā)動機(jī)造成嚴(yán)重破壞的是那不足1%的燃燒循環(huán)。

圖12 增壓SI燃燒下低速早燃、爆震和正常燃燒的缸壓(IMEP為1.2 MPa)

圖13 增壓SI燃燒下低速早燃的MAPO分布

2.2 爆震評價指標(biāo)

上文對不同燃燒模式的燃燒特性和爆震分布特征進(jìn)行了討論，不同燃燒模式的MAPO分布具有顯著差異，為了更加清晰地對比上述燃燒模式的爆震特征，圖 14對比了不同燃燒模式的MAPO分布，其中除增壓SI外其他燃燒模式均具有相近的MAPO算數(shù)平均值(0.1 MPa)。從圖14可以看出，HCCI、GCI和TJI燃燒模式的MAPO分布較為類似，具有較好的集中性，且最大值都在0.3 MPa以內(nèi)，這反映了燃燒過程的穩(wěn)定性。相對地，SI爆震工況的MAPO分布非常離散，最大值和99%分位數(shù)較高，這反映了SI爆震燃燒的隨機(jī)性。此外，增壓SI的低速早燃工況MAPO分布更加極端，最大MAPO為 6 MPa，而剩下99%的循環(huán)的MAPO分布在0～0.05 MPa之間。從結(jié)果來看，不同燃燒模式的爆震分布可以劃分為兩類：一類分布集中，很少或幾乎無異常值(高爆震強(qiáng)度循環(huán))存在，代表燃燒模式為HCCI和TJI；另一類分布離散，存在部分異常點(diǎn)，代表燃燒模式為SI，這類分布的極端情況是低速早燃工況。

圖14 不同燃燒模式的爆震分布特征

爆震工況的評價和判定需要基于大量燃燒循環(huán)的爆震強(qiáng)度進(jìn)行，目前較為常用的兩種爆震評價方法是平均值法和循環(huán)占有率法。循環(huán)占有率法以超過爆震閾值的循環(huán)數(shù)量百分比作為評價爆震強(qiáng)度的指標(biāo)。從本質(zhì)上來看，平均值法往往能較為準(zhǔn)確地反映出爆震分布集中且無異常點(diǎn)工況的爆震強(qiáng)度(如HCCI和TJI)，但對異常點(diǎn)往往不夠敏感；循環(huán)占有率法本質(zhì)上是一種正常值和異常值的分類法，可以較好地識別異常值，而對于分布非常集中無異常值的工況往往無法得到準(zhǔn)確結(jié)果。

本文中取0.1 MPa作為平均值法的爆震閾值。對于爆震循環(huán)占有率法，文獻(xiàn)中通常以 0.1 MPa 作為單循環(huán)閾值，爆震比例超過10%的工況判定為爆震[7,9]，但在本研究中若如此選擇閾值則HCCI、GCI和TJI將存在半數(shù)甚至更多的爆震循環(huán)，這顯然不合理。因此，在本研究中對爆震循環(huán)占有率的閾值進(jìn)行適當(dāng)改動過，取0.2 MPa作為循環(huán)占有率法中的單個循環(huán)爆震閾值，以5%作為爆震循環(huán)占有率閾值，即當(dāng)爆震強(qiáng)度高于0.2 MPa的循環(huán)數(shù)超過采集到的總循環(huán)數(shù)的5%時，將該工況判定為爆震工況。本文中，爆震強(qiáng)度在0.09～0.11 MPa之間或爆震循環(huán)占有率在4%～6%之間的工況為臨界爆震工況。

表2是采用算數(shù)平均值法和爆震循環(huán)占有率法對圖14中不同燃燒模式工況的爆震評價結(jié)果。從結(jié)果來看，算數(shù)平均值法對HCCI、GCI和TJI等MAPO分布較為集中的燃燒模式的爆震判定較為準(zhǔn)確，而對SI準(zhǔn)確性較差，明顯爆震的工況用該方法判定為了臨界爆震；對低速早燃工況則完全無法判定。爆震循環(huán)占有率法對爆震的判定結(jié)果優(yōu)于算數(shù)平均值法，對HCCI、GCI、SI模式具有較好的判定結(jié)果，但對于TJI的判定結(jié)果不夠準(zhǔn)確，TJI臨界爆震工況被判定為了非爆震工況，且爆震循環(huán)占有率非常低；而對于低速早燃工況，爆震循環(huán)占有率法也無法得到準(zhǔn)確的判定結(jié)果。

表2 算數(shù)平均值和爆震循環(huán)占有率法對不同燃燒模式的爆震評價

考慮到算數(shù)平均值法和爆震循環(huán)占有率法的不足，本研究中提出兩種基于上述評價方法的改進(jìn)方法，即加權(quán)平均值法和破壞性循環(huán)均值法。

在算數(shù)平均值法中所有燃燒循環(huán)對最終爆震結(jié)果的權(quán)重完全相同，但事實(shí)上爆震強(qiáng)度大的循環(huán)對發(fā)動機(jī)破壞性更大，正常燃燒循環(huán)對發(fā)動機(jī)幾乎沒有破壞性，因此需要針對不同爆震強(qiáng)度采用不同的加權(quán)權(quán)重才能使爆震結(jié)果更加準(zhǔn)確。本文中權(quán)重函數(shù)構(gòu)造的基本思想是爆震強(qiáng)度低于0.1 MPa的燃燒循環(huán)權(quán)重小于1，爆震強(qiáng)度在0.1～0.3 MPa之間時權(quán)重從1.0開始緩慢增加爆震強(qiáng)度越大的燃燒循環(huán)權(quán)重越大。在構(gòu)造權(quán)重函數(shù)時需要綜合考慮上述3個方面，同時結(jié)合具體函數(shù)的特點(diǎn)進(jìn)行構(gòu)造?？紤]到指數(shù)函數(shù)具有函數(shù)值變化先緩后急且在(-∞, 0)區(qū)間函數(shù)值變化非常緩慢的特點(diǎn)，本研究的權(quán)重函數(shù)基于指數(shù)函數(shù)進(jìn)行構(gòu)造，具體權(quán)重函數(shù)如式(2)所示。權(quán)重值以指數(shù)函數(shù)為基礎(chǔ)函數(shù)，經(jīng)過取整運(yùn)算后，以0.5為基礎(chǔ)步長逐漸增加。

(2)

式中，w為權(quán)重值；k為循環(huán)爆震強(qiáng)度，MPa，本研究中為MAPO。

在爆震循環(huán)占有率法中，最終用來表示評價爆震強(qiáng)度的是發(fā)生爆震循環(huán)的百分比，并未包含這些爆震循環(huán)的強(qiáng)度信息。例如，不同工況下同樣5%的爆震循環(huán)占有率下的爆震強(qiáng)度可能并不相同。因此，本文中提出了一種爆震循環(huán)占有率的改進(jìn)方法，即破壞性強(qiáng)度均值法，通過計(jì)算爆震強(qiáng)度前5%的循環(huán)的評價爆震強(qiáng)度，用以評價該工況的破壞性?？紤]到加權(quán)平均值法和破壞性循環(huán)均值法是基于算術(shù)平均值法和爆震循環(huán)占有率法改進(jìn)得到的，其爆震判定閾值與改進(jìn)前保持一致，即：在加權(quán)平均值法中爆震強(qiáng)度高于0.1 MPa的工況判定為爆震工況，在破壞性循環(huán)均值法中爆震強(qiáng)度高于0.2 MPa的工況判定為爆震工況。

表3是采用加權(quán)平均值法和破壞性循環(huán)均值法對表2中對應(yīng)工況的爆震強(qiáng)度評價。從結(jié)果來看加權(quán)平均值法對HCCI、GCI和TJI的評價結(jié)果與算術(shù)平均值法結(jié)果相同，而對SI爆震和低速早燃工況的評價準(zhǔn)確性大大提升。這是由于權(quán)重值隨爆震強(qiáng)度的增加呈指數(shù)增長，因此加權(quán)平均值法對于不同燃燒模式的爆震評價均具有較高的準(zhǔn)確性。破壞性循環(huán)對HCCI、GCI和SI爆震的評價結(jié)果與爆震循環(huán)占有率結(jié)果相同，但對于爆震強(qiáng)度的大小有更加直觀的表現(xiàn)；對TJI爆震判定的準(zhǔn)確性有很大的改善。此外，該方法與爆震循環(huán)占有率法對低速早燃工況的判定結(jié)果有所區(qū)別，仍然無法準(zhǔn)確地評價低速早燃的破壞性。

表3 加權(quán)平均值和破壞性循環(huán)平均值法對不同燃燒模式的爆震評價

4種爆震評價方法對不同點(diǎn)火時刻SI燃燒的爆震評價結(jié)果見圖15。在4種方法中，加權(quán)平均值對于爆震發(fā)生的敏感性最高，在點(diǎn)火時刻-16°時加權(quán)爆震強(qiáng)度低于0.1 MPa，而爆震工況(點(diǎn)火時刻 -18°)時，加權(quán)爆震強(qiáng)度突增到了39.0 MPa，即該方法最能有效識別出爆震工況。此外，爆震循環(huán)占有率法和破壞性循環(huán)均值法均可準(zhǔn)確地識別出SI爆震工況，而算數(shù)平均值法由于受到大量非爆震循環(huán)的影響，對于爆震強(qiáng)度的敏感性最差，不適合用于SI爆震的評價。

圖15 不同爆震評價方法對不同點(diǎn)火時刻SI燃燒的爆震評價

3 結(jié)論

(1) HCCI、GCI、TJI和SI等燃燒模式均存在壓力震蕩現(xiàn)象。HCCI和GCI燃燒模式中壓力震蕩由放熱率過于集中導(dǎo)致，TJI燃燒模式中的壓力震蕩由射流火焰引起的放熱率突增導(dǎo)致，SI燃燒模式中的壓力震蕩由末端混合氣自燃引起的劇烈放熱導(dǎo)致。

(2) 不同燃燒模式中的爆震強(qiáng)度具有不同的統(tǒng)計(jì)學(xué)特征，其中HCCI、GCI和TJI燃燒模式的爆震強(qiáng)度分布較為集中，不易出現(xiàn)偶發(fā)的高爆震強(qiáng)度的燃燒循環(huán)；SI燃燒模式爆震的分布較為離散，通常具有較高的最大值和99%分位數(shù)，高爆震強(qiáng)度燃燒循環(huán)的偶發(fā)性較強(qiáng)；增壓SI燃燒存在低速早燃工況，該工況下最大爆震強(qiáng)度可達(dá)數(shù)兆帕甚至數(shù)十兆帕，但往往又具有非常低的99%分位數(shù)，對低速早燃工況的爆震判定難度最大。

(3) 傳統(tǒng)的算數(shù)平均值法可對HCCI、SI和TJI燃燒模式的爆震強(qiáng)度進(jìn)行準(zhǔn)確的判斷，但對SI燃燒模式爆震的靈敏度較弱，對低速早燃工況則完全無法識別；爆震循環(huán)占有率法可準(zhǔn)確地對HCCI、GCI和SI的爆震工況進(jìn)行準(zhǔn)確地評價和判定，對TJI爆震工況和低速早燃工況難以得到準(zhǔn)確的判定結(jié)果。

(4) 加權(quán)平均值法和破壞性循環(huán)均值法是對算數(shù)平均值法和爆震循環(huán)占有率法的改進(jìn)方法，其中破壞性循環(huán)均值法對HCCI、GCI、TJI和SI燃燒模式的爆震評價具有較高的準(zhǔn)確性，且該方法可在一定程度上對低速早燃工況進(jìn)行判定，但準(zhǔn)確性仍然欠佳。加權(quán)平均值法對HCCI、GCI和TJI的爆震評價和判定與算數(shù)平均值法相近，對SI爆震的敏感性大大提高，并且加權(quán)平均值法可準(zhǔn)確地識別出低速早燃工況。加權(quán)平均值法對于不同燃燒模式的爆震評價和判定均具有非常高的準(zhǔn)確性，拓寬了平均值法對爆震判定的使用范圍并提高了判定的準(zhǔn)確性。